Обычно, верхний температурный предел применения таких датчиков ограничивают паспортными характеристиками. В случае их функционирования при более высоких температурах или температурах, граничных с паспортными значениями, - наблюдается нестабильность выходных параметров устройства во времени.
Нами были предприняты исследования по разработке метода стабилизации вольт-амперных характеристик и расширению температурного диапазона использования некоторых полупроводниковых элементов.
В качестве модельных объектов этого цикла НИР были взяты кремниевые диоды серии КД 522.
Методика эксперимента и результаты
Приборы типа КД-522 - это эпитаксиально-планарные диоды, принцип действия которых основан на использовании свойств проводимости в пленочных структурах p-n-перехода.
В этих приборах базу изготавливают путем наращивания на подложке из низкоомного кремния - тонкого слоя высокоомного полупроводника, повторяющего структуру подложки. Этот эпитаксиальный слой покрывают плотной защитной пленкой диоксида кремния SiO2 толщиной до 1 мкм. В пленке протравливают окно, через которое путем диффузии бора (или алюминия) создают p-n переход, выход которого на поверхность защищен пленкой диоксида кремния. В КД 522 бор (или алюминий), дифференцирующий в кремний является акцепторной примесью [3].
Ранее нами было показано [4], что кремневые диоды серий КД 522 при температурах (t=200оС и обратном напряжении Uобр=10 В), превышающих паспортные значения (tmax пасп<150оС) - выявили нестабильность выходных параметров во времени: вольт-амперные характеристики диодов «плывут». А при повышении температуры до t=200оС и Uобр=30 В - происходит пробой.
В результате проведенной специальной термической обработки данных полупроводниковых элементов в жестких условиях (при обратном напряжении Uобр=15 В > Uраб и tотжоС ≥ tmax паспоС), была достигнута стабилизация их использования при рабочей температуре до 200оС, значительно превышающей паспортное значение (tраб < 150оС).
Испытания показали, что при соблюдении условий tmax паспоС < tрабоС < tотжоС и Uобр раб < Uобр отж , - диоды, подвергнутые пролонгированному термоотжигу при температуре 230оС - функционировали без пробоя.
При проведении термоотжига диоды помещались внутрь резистора (типа ПЭВ-10), являющегося нагревательным элементов. Исследования проводились после установления теплового режима. Точность поддержания температуры составляла ± 0,2оС. Оптимальный режим отжига и его длительность были подобраны экспериментально. Охлаждение после отжига проводилось со средней скоростью 40оС/час.
Обсуждение результатов
Фиксируемый эффект стабилизации характеристик объясняется, вероятнее всего, двумя причинами. Во-первых, в диодах серии КД 522, как указывалось выше, присутствуют пленочные слои полупроводника. А в пленках, как известно [5], изначально может наблюдаться нестабильность основных параметров, обусловленная наличием в их структуре вакансий и дефектов. Можно полагать, что энергия, подводимая при отжиге, обеспечивает диффузию и взаимодействие дефектов. А это приводит к их частичному или полному исчезновению и установлению устойчивого состояния. Согласно [5] энергия, необходимая для перемещения дефектов, очень незначительна. Она может изменяться от нуля до энергии активации, необходимой для самодиффузии.
Наряду с этим, в процессе длительного отжига происходит частично необратимый переход как основных, так и неосновных носителей полупроводника на более высокие энергетические уровни. Точнее имеет место перераспределение основных и неосновных носителей заряда в p- и n-областях, и в самом переходе (искривление зон энергии). Энергия дырок в области основных носителей (pn) сдвигается в сторону валентной зоны, а у электронов в p-области (np) происходит сдвиг в зону проводимости [3, 6]. Причем, для перевода электронов с донорных уровней в зону проводимости необходима малая энергия ΔЕс, которая для кремния составляет ΔЕс=0,054 еV [2, 3, 6]. А свободные примесные энергетические уровни (акцепторные) располагаются несколько выше верхнего края валентной зоны основного кристалла, на расстоянии ΔЕh. Для кремния ΔЕh=0,06 еV [3, 6]. Иными словами, термоотжиг, вероятнее всего, способствует сдвигу энергии дна зоны проводимости Ес и вершины валентной зоны Еv. В результате указанных выше изменений в состояниях энергетических зон полупроводника, высота потенциального барьера (ширина запрещенной зоны) уменьшается. В итоге, после отжига при дальнейшей эксплуатации диодов в более мягких условиях [ТотжоС > ТрабоС > Тmax паспоС, Uраб < Uотж] возвращения к первоначальному (доотжиговому) состоянию не происходит, поскольку высота потенциального барьера p-n-перехода в начальном дообжиговом состоянии значительно превышает потенциальный барьер, достигнутый в процессе термообработки. А это в конечном итоге позволяет использовать диоды в более широком температурном интервале.
Как показали НИР, в результате отжига произошло некоторое увеличение обратного тока (Iобр) исследуемых полупроводниковых элементов. Одной из причин роста (Iобр) диода может являться термическая генерация носителей заряда в самом переходе (генерация электронно-дырочных пар), приводящая к появлению теплового тока Iт.
Согласно [3, 6] для несимметричной p-n-структуры (np<<pn).
(1)
Здесь S - площадь поперечного сечения p-n-перехода, Lp - диффузионная длина дырок в n-области перехода; Dp - коэффициент диффузии дырок примесного полупроводника; pn - концентрация дырок в n-области перехода; np - концентрация электронов в p-области перехода.
В ходе предпринятой обработки диодов с повышением обратного напряжения (до 15 В при отжиге), вследствие расширения перехода - увеличилась его толщина (δ) и объем [4]:
(2)
Здесь φк - контактная разность потенциалов, ε - диэлектрическая проницаемость; (φк+U) - общее напряжение на переходе; Na и Ng - концентрация доноров и акцепторов в переходе, соответственно.
И, как следствие, - число термически генерированных в переходе носителей заряда и тепловой ток перехода (Iт) - возросли. Этот эффект особенно заметен в кремневых диодах, которым свойственен малый ток экстракции (Io). Для них Iт>Io [6].
Как известно [3], наиболее сильное влияние температура оказывает на ток экстракции (Io) электронно-дырочного перехода, поскольку его величина пропорциональна концентрации неосновных носителей заряда:
(3)
или
(4)
В уравнениях (3) и (4) ΔW - ширина запрещенной зоны; IT - тепловой ток (см.уравнение 1); Ng - концентрация донорной примеси; Nc - эффективная плотность состояния в зоне проводимости.
S; Dp; Lp; e и Pn имеют тот же физический смысл, что и в уравнении (1); кТ - имеют общепринятое значение.
В свою очередь, концентрация неосновных носителей с повышением температуры увеличивается по экспоненциальному закону [3]. В результате перечисленные выше причины при росте температуры вызывают увеличение общего обратного тока (Iобр), проходящего через p-n-переход:
(5)
Здесь Io - ток экстракции электронно-дырочного перехода, IT - тепловой ток, Iy - возможный ток утечки.
Однако следует подчеркнуть - выполненные исследования показали, что наблюдаемое увеличение обратного тока (Iобр) диодов после отжига, - незначительно и находится в диапазоне разбросов основных характеристик полупроводниковых элементов рассматриваемой серии.
Заключение
Исследованы вольт-амперные характеристики кремневых диодов серии КД 522 в широком температурной интервале. Отмечено, что в случае их функционирования при температурах, превышающих паспортные значения (или граничные с ними) - наблюдается нестабильность выходных параметров во времени. Используя длительную термообработку диодов в жестких условиях, удалось добиться не только стабилизации основных характеристик, но и заметно расширить диапазон рабочих температур (поднять верхний предел рабочих температур до +200оС). После проведенного отжига диоды стабильно функционировали при соблюдении условий: Тmax паспоС < TрабoC < TотжоС, и Uраб < Uотж, В.
Обсуждены возможные причины, обусловившие проявление указанного эффекта термостабилизации. Следует подчеркнуть, что наблюдаемый эффект может иметь место у разных типов и классов полупроводниковых приборов. Так, в ходе испытаний диодов КД 503А, КД 509А и транзисторов КТ 203А и МП - 42, подвергнутых специальному отжигу, нами зафиксировано аналогичное расширение интервала рабочих температур и стабилизация выходных параметров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990. 264 с.
- Гитцевич И.В., Баюков А.В., Зайцев А.А. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. М.: Энергоиздат, 1982. 744 с.
- Батушев В.А. Электронные приборы. М.: Высшая школа, 1980. 384 с.
- Юшина Л.Д., Краев В.В., Салихов И.А. // Современные наукоемкие технологии. 2007. №12. с.126.
- Технология тонких пленок. Под ред. Майссела Л. М.: Сов.радио, 1977. 775 с.
- Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М.: Высшая школа, 1987. 480 с.